Host Cell modulation by Brucella effectors

par Jean-Baptiste Luizet

Thèse de doctorat en Infectiologie fondamentale

Sous la direction de Suzana Salcedo.

Soutenue le 27-09-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé. (Villeurbanne) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Molecular Microbiology and Structural Biochemistry (laboratoire) .

Le président du jury était Patricia Doublet.

Le jury était composé de Suzana Salcedo.

Les rapporteurs étaient Carmen Buchrieser, Jean Celli, Stéphane Meresse.

  • Titre traduit

    Modulation de la réponse cellulaire par des effecteurs de Brucella abortus


  • Résumé

    Brucella abortus est une bactérie pathogène responsable d’une zoonose ré-émergente causant plus de 500 000 décès par an. Brucella est une bactérie à Gram négative facultative intracellulaire capable d’infecter un grand spectre de cellules différents en entrant par phagocytose ou macropinocytose. Une fois à l’intérieur de la cellule, Brucella est retrouvée dans une vacuole doublement membranée appelée Brucella-containing vacuole (BCV). Brucella va alors interagir partiellement avec les différents compartiments endosomaux et lysosomaux afin d’établir sa niche réplicative au sein du réticulum endoplasmique est un aspect clé de sa virulence. Pour cela il a été démontré que Brucella abortus possède le système de sécrétion de type IV (SST4) démontré pour être un facteur de virulence majeur très répandu chez de nombreuses bactéries pathogènes. Mon projet de thèse consiste à caractériser un effecteur identifié pour être secrété par ce SST4. Nous avons appelé cet effecteur Brucella secreted protein L (BspL). Nous avons pu par différentes approches biologiques déterminer son mode d’action chez les cellules hôtes infectées ainsi que son importance pour le cycle intracellulaire de la bactérie. Nous avons en effet vu que cet effecteur localisait au sein du réticulum endoplasmique, organelle majeure de la cellule eucaryote, et induisait du stress. Ce stress est ressenti par la cellule grâce à différents senseurs cellulaires qui vont converger vers l’activation d’une réponse cellulaire appelée «UnfoldedProtein Response». Cette voie cellulaire va par différents mécanismes moléculaires tenter de contrer ce désordre induit au sein du réticulum afin de restaurer une homéostasie cellulaire. Cependant en recherchant de potentielles de notre effecteur BspL nous avons identifié Homocysteine-responsive endoplasmic reticulum-resident ubiquitin-like domain member 1 (Herp) une protéine impliquée dans de nombreux processus de régulations physiologiques du réticulum en cas de stress comme la dégradation associée au réticulum (ERAD). Nous avons donc par la suite démontré que l’action de BspL n’était pas uniquement d’induire du stress mais d’augmenter la capacité d’action de l’ERAD au sein de la cellule. Par ailleurs nous avons vu que BspL était important pour Brucella dans le contrôle de la cinétique de formations de ses vésicules de sortie de la cellule afin de pouvoir faire son cycle sans sortir prématurément. Ainsi l’identification de cet effecteur a permis de mettre en évidence l’importance de l’ERAD pour la première fois dans la pathogénie de Brucella. De plus cet effecteur est le premier à être identifié pour participer dans la régulation des vacuoles de sortie de Brucella. En parallèle nous avons vu que BspL impactait d’autres organites qui sont les mitochondries en fragmentant la connectivité de ce réseau mitochondrial. Aujourd’hui nous savons que les mitochondries et le réticulum sont étroitement connectés notamment avec l’implication du réticulum dans le processus de fission mitochondriale. Par ailleurs il est également connu que l’induction de stress par des agents physiques ou chimiques également fragmente le réseau mitochondrial. Nous avons néanmoins vu que le processus de fragmentation mitochondriale des mitochondries étaient indépendants du stress induit par BspL. Ces résultats ont été également confirmés en infection avec la comparaison d’une souche sauvage et mutante pour le gène codant pour BspL. En conclusion nous avons identifié un effecteur de Brucella associé au détournement de diverses fonctions au sein de la cellule. Il a permis de mettre en évidence l’importance du contrôle de l’ERAD pour contrôler la cinétique de réplication de la bactérie. Par ailleurs le fait que BspL soit également associé aux mitochondries semblent indiquer que l’effecteur pourrait avoir un rôle différentiel au cours du temps pendant l’infection


  • Résumé

    This work provides new insights not only into Brucella pathogenesis, but also places effector targeting of the endoplasmic reticulum quality control machinery at the center of bacterial intracellular trafficking, a completely novel research topic that could be of relevance for other bacterial pathogens. The endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) pathway plays a vital role in this quality control process, co-regulated with protein folding, stress responses and degradation pathways. Dysfunction of these processes can lead to severe diseases due to either the accumulation of misfolded proteins, namely neurodegenerative diseases; or due to the destruction of the entire pool of a given protein, such as the case of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Certain viruses have been shown in the past to directly hijack ERAD components to control immune responses and viral assembly. However, little is known on the control of ERAD during bacterial infections. In addition, insights into ERAD modulation could have an important impact in clinical research, for example, by providing new clues on how to boost the cell’s capacity to handle misfolded proteins. Brucella is an excellent model intracellular pathogen, with a well characterized cellular cycle that relies on a type IV secretion system to establish a replicative niche derived from the endoplasmic reticulum. It is then able to modify this vacuole by a currently unknown mechanism, induce autophagy and form vacuoles that will enable bacterial escape from the cell (Starr et al Cell Host and Microbe 2011). The effector proteins that mediate the formation of these Brucella replicative and autophagy vacuoles remain unknown. Here we identify a new type IV secretion effector that interacts with Herp to facilitate ERAD and delay the formation of autophagic Brucella-containing vacuoles to prevent premature bacterial dissemination. Intriguingly, we also show that ERAD is fine-tuned during infection as at early stages blocking of ERAD is beneficial whereas at late stages of the infection it results in premature egress. The work is obviously of interest for the Brucella community with the characterization of a novel type IV secretion system effector and, in addition, the identification of the first effector implicated in control of the formation of autophagic Brucella-containing vacuoles. However, our study will also appeal to a broader audience as it identifies an eukaryotic target not previously implicated in bacterial pathogenesis, Herp a key modulator of ERAD highlighting a novel mechanism of bacterial regulation of the endoplasmic reticulum quality control machinery for intracellular trafficking


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